Risultati per lo stress dei LED Osram - Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria

invece coinvolto in maniera quasi del tutto uniforme l’intera curva L-I, il cui andamento, se normalizzato rispetto alla curva ad 1 h, è appunto di sola traslazione (ad eccezione della caratteristica a basse correnti, che invece appare essere solo parzialmente intaccata dal meccanismo di degrado in atto).

6.3 Risultati per lo stress dei LED Osram

(a) Osram 45^◦C (b) Osram 65^◦C

Figura 6.24: Grafici di potenza ottica vs corrente per i LED Osram

Tra i LED 5630, gli Osram sono quelli ad aver subito la maggior perdita di flusso luminoso (a corrente nominale) durante l’ageing accelerato, pari a circa il 3.5 % del valore iniziale nel caso di stress eseguito a 105◦C (Fig. 6.25c). Dalle possibile cause di questo degrado va innanzitutto esclusa una perdita di efficienza di conversione del materiale fosforo-convertitore: com’è infatti possibile notare dai grafici di figura 6.35,

(a) Osram, confronto curve di L-I a 1000h

(b) Osram, flusso lum. a 0.01 A norm. (c) Osram, flusso lum. a 0.12 A normalizzato

Figura 6.25: Andamento temporale della potenza ottica (lumen) per i LED Osram l’emissione gialla tende sempre a seguire quella blu, con un risultante rapporto picchi che si mantiene all’interno del ±1 % del valore a 0 h. Il fatto che anche per questa terza tipologia di LED 5630 non ci sia un degrado marcato del λ-converter e delle proprietà cromatiche (figura 6.30), e le simili temperature di giunzione (e dintorni) raggiunte dai dispositivi in condizioni di stress, danno ulteriore sostegno alla tesi secondo cui la composizione fosforica di Seoul, Osram, e Philips risulta essere molto simile. Di contro, nulla può essere detto sul materiale incapsulante i fosfori, una cui eventuale instabilità inficerebbe tanto l’emissione a bassa che ad alte lunghezze d’onda, risultando deleteria per il flusso luminoso nel suo complesso.

Osservando il grafico di figura 6.25a recante il confronto tra le curve di potenza ottica a 1000 h normalizzate rispetto quella a 0 h si può notare come gli stress condotti a 45 e 65◦C abbiano avuto essenzialmente lo stesso impatto su tutta caratteristica. Per la parte a basse correnti di quest’ultima, in particolare, è possibile riscontrare una diminuzione di potenza ottica associabile alla formazione di centri di ricombinazione

6.3. Risultati per lo stress dei LED Osram

(a) Osram 45◦C (b) Osram 65◦C

Figura 6.26: Grafici di efficienza luminosa vs corrente per i LED Osram

radiativa all’interno dell’energy-gap. Ad 85◦C sembra innescarsi un secondo fenomeno di degrado che tende a ridurre in modo maggiore anche l’emissione ad alte correnti d’iniezione. Alla massima temperatura di stress questo fenomeno risulta essere del tutto predominante, anche a basse correnti: plottando sullo stesso grafico l’andamento normalizzato della potenza ottica a 0.01 e a 0.12 A è infatti possibile identificare un ottimo accordo tra le due curve per quasi tutti gli step di misura.

Segni della comparsa di difetti all’interno della regione attiva del semiconduttore sono visibili anche nelle curve I-V (figura 6.31), parte delle quali mostrano un (molto) leggero aumento di corrente nella regione di polarizzazione a medio-basse tensioni. L’esame delle curve stressate a 45, 65 e 85◦C, e degli andamenti temporali delle correnti in Fig. 6.32a e 6.32b, permette di identificare un leggera dipendenza dalla temperatura del fenomeno, assolutamente assente nei campioni stressati a 45◦C. Curiosamente lo stress a 105◦C rivela un degrado più blando di quello riscontrato a 65 e 85◦C, segno,

(a) Osram, confronto curve di efficienza-corrente a 1000h

(b) Osram, efficienza luminosa a 0.01 A normalizzata

Figura 6.27: Grafici di efficienza luminosa vs corrente per i LED Osram

forse, di una diversa qualità cristallina dei campioni vergini e del fatto che, come ci si aspetta dal processo di formazione di difetti reticolari, la temperatura d’esercizio non ne sia il solo fattore d’attivazione.

Anche la Ron dei LED Osram ha subito solo blande variazioni, che nel peggiore dei casi vede un aumento del 2 % rispetto al valore iniziale (il 4 % registrato in figura 6.32c per i LED OSram-45 è probabilmente frutto di un errore di misura, visto che il forward voltage, misurato a quattro terminali durante la caratterizzazione ottica e riportato in figura 6.32d per sopperire alla non completa estensione della curva I-V alla corrente nominale dei dispositivi, non mostra rilevanti cambiamenti nell’ultimo step di stress). NOTA: il forward voltage della serie di LED Osram è di circa 12.49 V, un aumento dello 0.2 % implica quindi una crescita della tensione ai capi pari a circa 25 mV.

6.3. Risultati per lo stress dei LED Osram

(a) Spettro Osram 45^◦C (b) Andamento picchi Osram 45^◦C

(e) Spettro Osram 85^◦C (f) Andamento picchi Osram 85^◦C

(g) Spettro Osram 105^◦C (h) Andamento picchi Osram 105^◦C

Figura 6.28: (cont.) Spettri e andamento picchi dei LED Osram stressati a 105◦C

(a) (b)

Figura 6.29: Confronto tra gli andamenti del picco giallo (a) e del picco blu (b)

(a) (b)

6.3. Risultati per lo stress dei LED Osram

(a) Osram 45^◦C (b) Osram 65^◦C

Figura 6.31: Curve I-V dei LED Osram

(a) Corrente a 5 V (b) Corrente a 9 V

Figura 6.32: (cont.) Andamento correnti a 5 e 9 V e della Ron al variare del tempo di stress

6.3.1 Lo stress dei LED Osram su PCB in FR-4 a 100 mA

L’esame dei risultati dello studio di degrado accelerato dei LED Osram condotto su FR-4 fornisce un importante chiave di lettura per i dati ottenuti dalla sessione di stress principale. A differenza delle altre due serie di campioni già descritte, infatti, i LED Osram su PCB in FR-4 sono stati stressati ad una corrente di 20 mA (1/6) inferiore alla propria corrente nominale, che è poi quella a cui sono stati stressati nel caso delle PCB in metal-core. Una corrente di stress inferiore, ed una temperatura di giunzione che seppur non nota è da supporsi maggiore o uguale a quella raggiunta durante lo stress a 85◦C (vedi immagine IR nel capitolo precedente), hanno implicato un’assoluta immobilità della caratteristica elettrica, riportata al variare degli step di

6.3. Risultati per lo stress dei LED Osram

(a) Osram FR-4, curve di potenza ottica (b) Osram FR-4, curve di efficienza luminosa

Figura 6.34: Caratterizzazione ottica dei LED Philips stressati su PCB in FR-4

(a) (b)

stress in figura 6.33. Questo fatto, unito alla variazione quasi uniforme cui è andata incontro la curva L-I di tali dispositivi, permette di poter affermare con una discreta certezza che la decrescita di flusso luminoso, successiva alla prima ora di stress, non è stata causata primariamente dalla formazione di difetti all’interno della regione attiva del semiconduttore.

Nel documento Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica TESI DI LAUREA Affidabilità e degrado di LED a bassa potenza per applicazioni di illuminotecnica (pagine 153-162)